JP2018050821A - Ultrasound oscillator driving device and mesh-type nebulizer - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は超音波振動子駆動装置に関し、より詳しくは、固有の共振周波数をもつ超音波振動子に対して、駆動電圧(交番電圧)を印加して駆動する超音波振動子駆動装置に関する。また、この発明は、そのような超音波振動子駆動装置を備えたメッシュ式ネブライザに関する。 The present invention relates to an ultrasonic transducer driving apparatus, and more particularly, to an ultrasonic transducer driving apparatus that drives by applying a driving voltage (alternating voltage) to an ultrasonic transducer having a specific resonance frequency. The present invention also relates to a mesh nebulizer provided with such an ultrasonic transducer driving device.
従来、この種の超音波振動子駆動装置としては、例えば特許文献1(特開2003−038646号公報)に、超音波振動子としての圧電素子に正弦波または矩形波の駆動電圧を印加して、この圧電素子の超音波振動によって薬液を霧化して噴霧するものが開示されている。 Conventionally, as this type of ultrasonic vibrator driving device, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-038646, a driving voltage of a sine wave or a rectangular wave is applied to a piezoelectric element as an ultrasonic vibrator. Further, there has been disclosed a technique in which a chemical liquid is atomized and sprayed by ultrasonic vibration of the piezoelectric element.
ところで、上記超音波振動子が、例えばメッシュ式ネブライザを構成するのに広く用いられているような、圧電素子とこの圧電素子の振動を伝えるホーンとが一体に組み合わされたタイプのもの(適宜「ホーン振動子」と呼ぶ。)である場合、図8から分かるように、Q値(共振の鋭さ)が非常に高い。このため、図9に例示するように、或るホーン振動子(固有の共振周波数をfrとする。frの単位はkHzとする。)について、駆動電圧の周波数の実用的な範囲は、(fr−0.8kHz)からfrまでの範囲Δfに限られている。なお、図8、図9では、横軸が駆動電圧の周波数を表し、縦軸がホーン振動子のインピーダンス(実線で示す)と位相(破線で示す)を表している。 By the way, the ultrasonic transducer is of a type in which a piezoelectric element and a horn that transmits vibration of the piezoelectric element are combined together as is widely used for forming, for example, a mesh type nebulizer (as appropriate “ In the case of “horn resonator”, the Q value (resonance sharpness) is very high as can be seen from FIG. For this reason, as illustrated in FIG. 9, for a certain horn vibrator (a specific resonance frequency is fr. The unit of fr is kHz), the practical range of the drive voltage frequency is (fr It is limited to a range Δf from −0.8 kHz) to fr. 8 and 9, the horizontal axis represents the frequency of the drive voltage, and the vertical axis represents the impedance (shown by a solid line) and the phase (shown by a broken line) of the horn vibrator.
さらに、ホーン振動子の共振周波数frには、±1.5kHz程度の製造ばらつきがあることが知られている。図10は、製造ばらつきにより共振周波数が異なる3つのサンプルNo.1〜3について、矩形波からなる駆動電圧の周波数を変化させたときの単位時間当たりの噴霧量の変化を示している。駆動電圧の周波数が、サンプルNo.1では共振周波数fr1=178.85kHz、サンプルNo.2では共振周波数fr2=179.15kHz、サンプルNo.3では共振周波数fr3=179.40kHzを、それぞれ高々0.03kHz程度上回ると、単位時間当たりの噴霧量が約半分に低下している。 Furthermore, it is known that the resonance frequency fr of the horn vibrator has a manufacturing variation of about ± 1.5 kHz. FIG. 10 shows three sample numbers having different resonance frequencies due to manufacturing variations. About 1-3, the change of the spray amount per unit time when the frequency of the drive voltage which consists of a rectangular wave is changed is shown. The frequency of the drive voltage is the sample number. 1, the resonance frequency fr1 = 178.85 kHz, sample No. 2, the resonance frequency fr2 = 179.15 kHz, sample No. 3, when the resonance frequency fr3 = 179.40 kHz exceeds the resonance frequency by about 0.03 kHz, the spray amount per unit time is reduced to about half.
このため、例えば駆動用IC(集積回路)が出力した矩形波状の交番電圧をそのまま駆動電圧としてホーン振動子に印加すると、駆動電圧の周波数がホーン振動子の共振周波数から外れて、ホーン振動子の駆動効率が低下することがある。 For this reason, for example, when a rectangular wave-shaped alternating voltage output from a driving IC (integrated circuit) is applied to the horn vibrator as a driving voltage as it is, the frequency of the driving voltage deviates from the resonance frequency of the horn vibrator, and Drive efficiency may decrease.
これに対して、駆動用ICが発生した矩形波状の交番電圧(駆動電圧の元になる)を、誘導性リアクタンス素子(L)と容量性リアクタンス素子(C)とを含む変換回路を介して正弦波状の交番電圧に変換した状態でホーン振動子に印加すると、駆動電圧の周波数がホーン振動子の共振周波数を少し外れたとしても、駆動効率の低下を抑制でき、単位時間当たりの噴霧量の減少を抑制できる。しかしながら、単に駆動用ICとホーン振動子との間に変換回路を介挿すると、上記変換回路を介して接地(GND)へリーク電流が流れて、消費電流が増大するという問題がある。 On the other hand, a rectangular wave-like alternating voltage generated by the driving IC (which is the source of the driving voltage) is sine through a conversion circuit including an inductive reactance element (L) and a capacitive reactance element (C). When applied to the horn vibrator in a state where it is converted to a wavy alternating voltage, even if the frequency of the drive voltage deviates slightly from the resonance frequency of the horn vibrator, the reduction in drive efficiency can be suppressed, and the amount of spray per unit time can be reduced. Can be suppressed. However, if a conversion circuit is simply inserted between the driving IC and the horn vibrator, there is a problem in that a leakage current flows to the ground (GND) through the conversion circuit, thereby increasing current consumption.
そこで、この発明の課題は、固有の共振周波数をもつ超音波振動子に対して変換回路を介して正弦波状の交番電圧を駆動電圧として印加する超音波振動子駆動装置であって、接地へのリーク電流を抑制できるものを提供することにある。また、この発明の課題は、そのような超音波振動子駆動装置を備えたメッシュ式ネブライザを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is an ultrasonic transducer driving apparatus that applies a sinusoidal alternating voltage as a driving voltage to an ultrasonic transducer having a specific resonance frequency via a conversion circuit, The object is to provide a device capable of suppressing leakage current. Moreover, the subject of this invention is providing the mesh type nebulizer provided with such an ultrasonic transducer | vibrator drive device.
上記課題を解決するため、この発明の超音波振動子駆動装置は、
圧電素子を含み固有の共振周波数をもつ超音波振動子に対して、駆動電圧を印加して駆動する超音波振動子駆動装置であって、
上記駆動電圧の元になる矩形波状の交番電圧を、上記超音波振動子の共振周波数を含む周波数範囲で周波数可変に発生する駆動電圧発生部と、
上記駆動電圧発生部から上記超音波振動子への配線経路に介挿され、誘導性リアクタンス素子と容量性リアクタンス素子とによって、上記駆動電圧発生部が発生した矩形波状の交番電圧を正弦波状の交番電圧に変換する変換回路とを備え、この正弦波状の交番電圧が上記駆動電圧として上記超音波振動子に印加され、
上記駆動電圧発生部から上記変換回路へ流れる第1の電流を検出する第1の電流検出部と、
上記変換回路から上記超音波振動子へ流れる第2の電流を検出する第2の電流検出部と、
上記第1の電流と上記第2の電流との間の差が極小値に近づくように、上記駆動電圧発生部に対して上記矩形波状の交番電圧の周波数を変更させる制御を行う周波数制御部と
を備えたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, an ultrasonic transducer driving device of the present invention is
An ultrasonic transducer driving apparatus that drives by applying a driving voltage to an ultrasonic transducer including a piezoelectric element and having a specific resonance frequency,
A drive voltage generator that generates a rectangular wave-shaped alternating voltage that is a source of the drive voltage in a frequency range that includes a resonance frequency of the ultrasonic transducer; and
A rectangular wave-shaped alternating voltage generated by the driving voltage generating unit is inserted into a wiring path from the driving voltage generating unit to the ultrasonic transducer and is generated by the inductive reactance element and the capacitive reactance element. A conversion circuit that converts the voltage into a voltage, and this sinusoidal alternating voltage is applied to the ultrasonic transducer as the drive voltage,
A first current detector for detecting a first current flowing from the drive voltage generator to the conversion circuit;
A second current detection unit for detecting a second current flowing from the conversion circuit to the ultrasonic transducer;
A frequency control unit that controls the drive voltage generation unit to change the frequency of the rectangular-wave alternating voltage so that the difference between the first current and the second current approaches a minimum value; It is provided with.
ここで、「矩形波状」とは、厳密な矩形波だけでなく、上記超音波振動子に対する駆動電圧としての用途において実質的に矩形波と見なせるような、角をもつ波形を含む。また、「正弦波状」とは、厳密な正弦波だけでなく、上記超音波振動子に対する駆動電圧としての用途において実質的に正弦波と見なせるような、滑らかに変化する波形を含む。 Here, the “rectangular wave shape” includes not only a strict rectangular wave but also a waveform having an angle that can be regarded as a substantially rectangular wave in the use as a driving voltage for the ultrasonic transducer. Further, the “sine wave shape” includes not only a strict sine wave but also a smoothly changing waveform that can be regarded as a substantially sine wave when used as a driving voltage for the ultrasonic transducer.
この発明の超音波振動子駆動装置では、駆動電圧発生部が、上記駆動電圧の元になる矩形波状の交番電圧を、上記超音波振動子の共振周波数を含む周波数範囲で周波数可変に発生する。上記駆動電圧発生部から上記超音波振動子へ向かう配線経路に介挿された変換回路が、誘導性リアクタンス素子と容量性リアクタンス素子とによって、上記駆動電圧発生部が発生した矩形波状の交番電圧を正弦波状の交番電圧に変換する。この正弦波状の交番電圧が上記駆動電圧として上記超音波振動子に印加される。したがって、上記駆動電圧の周波数が上記超音波振動子の共振周波数を少し外れたとしても、駆動効率の低下を抑制できる。しかも、この超音波振動子駆動装置では、第1の電流検出部が、上記駆動電圧発生部から上記変換回路へ流れる第1の電流を検出すると共に、第2の電流検出部が、上記変換回路から上記超音波振動子へ流れる第2の電流を検出する。周波数制御部は、上記第1の電流と上記第2の電流との間の差が極小値に近づくように、上記駆動電圧発生部に対して上記矩形波状の交番電圧の周波数を変更させる制御を行う。上記制御によって上記第1の電流と上記第2の電流との間の差が極小値近傍になったとき、上記変換回路のインピーダンスと上記超音波振動子のインピーダンスとが整合する。したがって、上記第1の電流と上記第2の電流との差、すなわち、上記変換回路を介した接地へのリーク電流が抑制される。この結果、消費電流の増大を抑制できる。 In the ultrasonic transducer driving apparatus according to the present invention, the drive voltage generator generates the rectangular-wave alternating voltage that is the source of the drive voltage in a frequency range that includes the resonance frequency of the ultrasonic transducer. The conversion circuit inserted in the wiring path from the drive voltage generator to the ultrasonic transducer converts the rectangular wave-shaped alternating voltage generated by the drive voltage generator by an inductive reactance element and a capacitive reactance element. Convert to sinusoidal alternating voltage. This sinusoidal alternating voltage is applied to the ultrasonic transducer as the drive voltage. Therefore, even if the frequency of the driving voltage slightly deviates from the resonance frequency of the ultrasonic transducer, a decrease in driving efficiency can be suppressed. Moreover, in this ultrasonic transducer driving device, the first current detection unit detects the first current flowing from the drive voltage generation unit to the conversion circuit, and the second current detection unit includes the conversion circuit. The second current flowing from the current to the ultrasonic transducer is detected. The frequency control unit controls the drive voltage generation unit to change the frequency of the rectangular-wave alternating voltage so that the difference between the first current and the second current approaches a minimum value. Do. When the difference between the first current and the second current becomes close to the minimum value by the control, the impedance of the conversion circuit matches the impedance of the ultrasonic transducer. Therefore, the difference between the first current and the second current, that is, the leakage current to the ground via the conversion circuit is suppressed. As a result, an increase in current consumption can be suppressed.
一実施形態の超音波振動子駆動装置では、上記第1の電流と上記第2の電流との間の差は、上記第1の電流のピーク・ツー・ピーク値と上記第2の電流のピーク・ツー・ピーク値との間の差、上記第1の電流の振幅と上記第2の電流の振幅との間の差、または、上記第1の電流の実効値と上記第2の電流の実効値との間の差であることを特徴とする。 In the ultrasonic transducer driving apparatus according to one embodiment, the difference between the first current and the second current is a peak-to-peak value of the first current and a peak of the second current. The difference between the two peak values, the difference between the amplitude of the first current and the amplitude of the second current, or the effective value of the first current and the effective value of the second current. It is a difference between values.
この一実施形態の超音波振動子駆動装置では、上記第1、第2の電流の位相にかかわらず、上記第1の電流と上記第2の電流との間の差を簡単に求めることができる。 In the ultrasonic transducer driving apparatus according to this embodiment, the difference between the first current and the second current can be easily obtained regardless of the phase of the first and second currents. .
一実施形態の超音波振動子駆動装置では、上記超音波振動子の共振周波数を含む周波数範囲で上記変換回路が示すインピーダンスは、上記超音波振動子のインピーダンスの最小値に実質的に一致するように設定されていることを特徴とする。 In the ultrasonic transducer driving apparatus of one embodiment, the impedance indicated by the conversion circuit in a frequency range including the resonance frequency of the ultrasonic transducer is substantially equal to the minimum impedance value of the ultrasonic transducer. It is characterized by being set to.
ここで、超音波振動子のインピーダンスの最小値に「実質的に一致」するとは、丁度一致する場合に加えて、インピーダンス整合の観点から、最小値に実質的に一致していると見なせる範囲(例えば、上記最小値から、上記最小値の1.5倍までの範囲)を含む。 Here, “substantially matches” the minimum value of the impedance of the ultrasonic transducer means a range that can be considered to substantially match the minimum value from the viewpoint of impedance matching in addition to the case of just matching. For example, a range from the minimum value to 1.5 times the minimum value) is included.
この一実施形態の超音波振動子駆動装置では、上記超音波振動子の共振周波数を含む周波数範囲で上記変換回路が示すインピーダンスは、上記超音波振動子のインピーダンスの最小値に実質的に一致するように設定されている。ここで、上述のように、上記周波数制御部による上記制御によって上記第1の電流と上記第2の電流との間の差が極小値近傍になったとき、上記変換回路のインピーダンスと上記超音波振動子のインピーダンスとが整合する。したがって、そのとき、上記矩形波状の交番電圧の周波数が上記超音波振動子の共振周波数(上記超音波振動子のインピーダンスの最小値を与える周波数)に略一致する。この結果、上記超音波振動子の駆動効率が高まる。 In the ultrasonic transducer driving apparatus according to this embodiment, the impedance indicated by the conversion circuit in the frequency range including the resonance frequency of the ultrasonic transducer substantially matches the minimum value of the impedance of the ultrasonic transducer. Is set to Here, as described above, when the difference between the first current and the second current becomes close to the minimum value by the control by the frequency control unit, the impedance of the conversion circuit and the ultrasonic wave The impedance of the vibrator matches. Therefore, at that time, the frequency of the alternating voltage having the rectangular wave shape substantially coincides with the resonance frequency of the ultrasonic transducer (the frequency that gives the minimum value of the impedance of the ultrasonic transducer). As a result, the driving efficiency of the ultrasonic transducer is increased.
一実施形態の超音波振動子駆動装置では、上記超音波振動子は、上記圧電素子とこの圧電素子の振動を伝えるホーンとが一体に組み合わされて構成されたホーン振動子であることを特徴とする。 In an ultrasonic transducer driving apparatus according to an embodiment, the ultrasonic transducer is a horn transducer configured by integrally combining the piezoelectric element and a horn that transmits vibration of the piezoelectric element. To do.
この一実施形態の超音波振動子駆動装置では、上記超音波振動子は、上記圧電素子とこの圧電素子の振動を伝えるホーンとが一体に組み合わされて構成されたホーン振動子である。したがって、上記駆動電圧の周波数が上記超音波振動子の共振周波数を少し外れたとしても、駆動効率の低下を抑制できる、という本発明による利益が大きい。 In the ultrasonic transducer driving apparatus according to the embodiment, the ultrasonic transducer is a horn transducer configured by integrally combining the piezoelectric element and a horn that transmits vibration of the piezoelectric element. Therefore, even if the frequency of the drive voltage slightly deviates from the resonance frequency of the ultrasonic transducer, the advantage of the present invention that the reduction in drive efficiency can be suppressed is great.
別の局面では、この発明のメッシュ式ネブライザは、
上記発明の超音波振動子駆動装置であって、上記超音波振動子が、上記圧電素子とこの圧電素子の振動を伝えるホーンとが一体に組み合わされて構成されたホーン振動子であるものと、
上記ホーン振動子の振動面に対向して配置された平板状またはシート状のメッシュ部とを備え、
上記振動面と上記メッシュ部との間に供給された液体を、上記メッシュ部を通して霧化して噴霧することを特徴とする。
In another aspect, the mesh nebulizer of the present invention is
The ultrasonic vibrator driving device according to the invention, wherein the ultrasonic vibrator is a horn vibrator configured by integrally combining the piezoelectric element and a horn that transmits vibration of the piezoelectric element,
A flat plate-like or sheet-like mesh portion arranged to face the vibration surface of the horn vibrator,
The liquid supplied between the vibration surface and the mesh part is atomized and sprayed through the mesh part.
本明細書で、「平板状またはシート状のメッシュ部」とは、平板またはシートを貫通する複数の貫通孔を有し、これらの貫通孔を通過させて液体を霧化するための要素を意味する。なお、シートはフィルムを含む。 In this specification, the “flat plate or sheet mesh portion” means an element for atomizing a liquid by having a plurality of through holes penetrating the flat plate or sheet and passing through the through holes. To do. The sheet includes a film.
この発明のメッシュ式ネブライザによれば、上記液体を効率良く霧化して噴霧でき、また、消費電流の増大を抑制できる。 According to the mesh type nebulizer of the present invention, the liquid can be efficiently atomized and sprayed, and an increase in current consumption can be suppressed.
以上より明らかなように、この発明の超音波振動子駆動装置は、固有の共振周波数をもつ超音波振動子に対して変換回路を介して正弦波状の交番電圧を駆動電圧として印加する超音波振動子駆動装置であって、接地へのリーク電流を抑制できる。また、この発明のメッシュ式ネブライザによれば、液体を効率良く霧化して噴霧でき、また、消費電流の増大を抑制できる。 As is clear from the above, the ultrasonic transducer driving apparatus of the present invention is an ultrasonic vibration that applies a sinusoidal alternating voltage as a drive voltage to an ultrasonic transducer having a specific resonance frequency via a conversion circuit. This is a slave drive device, and leakage current to the ground can be suppressed. Further, according to the mesh type nebulizer of the present invention, the liquid can be efficiently atomized and sprayed, and an increase in current consumption can be suppressed.
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図2は、この発明の一実施形態の超音波振動子駆動装置を搭載したメッシュ式ネブライザ(全体を符号1で表す。)の霧化部の構成を示している。このメッシュ式ネブライザ1は、上部に開口18を有する本体10と、この本体10内に内蔵された超音波振動子としてのホーン振動子40を備えている。本体10の外面には、図示しない電源スイッチが設けられている。
FIG. 2 shows a configuration of an atomizing section of a mesh type nebulizer (the whole is denoted by reference numeral 1) equipped with the ultrasonic transducer driving device of one embodiment of the present invention. The
ホーン振動子40は、上方の開口18に対向して水平に配された振動面43と、この振動面43から下方に離間した位置に配された圧電素子41と、圧電素子41と振動面43との間に配され、圧電素子41の振動を増幅するとともに振動面43へ伝達するホーン42とが、一体に組み合わされて構成されている。ホーン振動子40(正確には、圧電素子41)に対する駆動電圧は、後述する超音波振動子駆動装置60によって供給されるようになっている。このホーン振動子40は、図8、図9中に例示したような固有の共振周波数frを有している。
The
開口18と振動面43との間には、交換部材20が着脱可能に装着されて配置されている。この交換部材20は、振動面43に対向する平坦なシートとしてのフィルム21と、このフィルム21の周縁を支持する略円環状の底板部22とを含んでいる。フィルム21は、底板部22の上面に接着または溶着により取り付けられている。フィルム21のうち略中央の領域がメッシュ部21aを構成している。メッシュ部21aには、フィルム21を貫通する多数の微細な貫通孔(図示せず)が形成されている。底板部22は、位置決めのために、この例では振動面43の縁部43eに1箇所で当接している。交換部材20は、振動面43に対して少し傾斜した状態で、ホーン振動子40とともに、本体10内の図示しない要素によって支持されている。なお、メッシュ部21aは、フィルム21に代えて、平板に多数の微細な貫通孔を形成して構成されていてもよい。
The
このメッシュ式ネブライザ1の動作時には、ユーザが鉛直方向に対して本体10を少しだけ傾ける。これにより、本体10内の給液部17から、矢印Fで示すようにホーン振動子40の振動面43上へ向けて液体(この例では、薬液)が供給される。つまり、振動面43とメッシュ部21aとの間に薬液が供給される。そして、ユーザが電源スイッチをオンすると、ホーン振動子40の圧電素子41に駆動電圧が印加されて、ホーン42を介して振動面43が振動される。これにより、メッシュ部21a(より正確には、フィルム21を貫通する複数の貫通孔)を通して薬液が霧化され、開口18を通して噴霧される。
When the
図1は、メッシュ式ネブライザ1に搭載された超音波振動子駆動装置60のブロック構成を示している。
FIG. 1 shows a block configuration of an ultrasonic
この超音波振動子駆動装置60は、駆動電圧発生部62と、駆動電圧発生部62からホーン振動子40へ延びる配線経路としての一対の配線67,68と、これらの配線67,68に介挿された変換回路63とを含んでいる。また、この超音波振動子駆動装置60は、第1の電流検出部65と、第2の電流検出部66と、これらの第1の電流検出部65、第2の電流検出部66の出力に基づいて上述の駆動電圧発生部62を制御する制御部61とを含んでいる。
The ultrasonic
駆動電圧発生部62は、例えば市販のファンクション・ジェネレータ用IC(集積回路)を含み、駆動電圧の元になる矩形波状の交番電圧Vgを、ホーン振動子40の共振周波数frを含む周波数範囲で周波数可変に発生する。この例では、駆動電圧発生部62は、少なくとも175kHz〜185kHzの範囲で0.05kHzずつ周波数fを可変できる機能を有するものとする。また、交番電圧Vgのプラス電圧期間とマイナス電圧期間との比は、可変であるが、この例では1対1(デューティ50%)であるものとする。この駆動電圧発生部62は、増幅部を含み、ホーン振動子40を駆動するのに十分な振幅をもつ交番電圧Vgを出力する。
The
変換回路63は、一方の配線67に介挿された誘導性リアクタンス素子としてのコイルL1と、その配線67のうちコイルL1よりもホーン振動子40側(図1において右側を指す。以下、単に「右側」という。)の箇所67cと接地GND(図1中に▽印で示す。以下同様。)との間に接続された容量性リアクタンス素子としてのコンデンサC1と、他方の配線68に介挿された誘導性リアクタンス素子としてのコイルL2と、その配線68のうちコイルL2よりも右側の箇所68cと接地GNDとの間に接続された容量性リアクタンス素子としてのコンデンサC2とを含んでいる。この変換回路63は、例えば図5(A)中に示すように、駆動電圧発生部62が発生した矩形波状の交番電圧Vgを、正弦波状の交番電圧Vaに変換する。この正弦波状の交番電圧Vaが駆動電圧として図1中に示すホーン振動子40に印加される。したがって、駆動電圧の周波数fがホーン振動子40の共振周波数frを少し外れたとしても、駆動効率の低下を抑制できる。
The
この例では、ホーン振動子40の共振周波数frを含む175kHz〜185kHzの周波数範囲で変換回路63が示すインピーダンスは、ホーン振動子40のインピーダンスの最小値Zmin(この例では、約100Ω)に略一致するように設定されている。具体的には、L1=L2=47μH、C1=C2=4700pFに設定されている。これにより、周波数f=179kHz近傍で、L1とC1との直列インピーダンス、L2とC2との直列インピーダンスは、それぞれ約136Ωになっている。
In this example, the impedance shown by the
第1の電流検出部65は、上述の配線68のうち駆動電圧発生部62とコイルL2との間に介挿された電流検出用の抵抗素子R2と、この抵抗素子R2に降下した電圧を増幅する演算増幅器(オペレーショナル・アンプリファイア)U1とを含んでいる。その配線68のうち抵抗素子R2の駆動電圧発生部62側(図1において左側を指す。以下、単に「左側」という。)の箇所68aと接地GNDとの間に、分圧用の抵抗素子R5,R6が直列に接続されている。これらの抵抗素子R5,R6の間の接続点の電位が演算増幅器U1の非反転入力端子(+)に入力される。また、その配線68のうち抵抗素子R2の右側の箇所68bと接地GNDとの間に、分圧用の抵抗素子R7,R8が直列に接続されている。これらの抵抗素子R7,R8の間の接続点の電位が演算増幅器U1の反転入力端子(−)に入力される。演算増幅器U1の出力端子(OUT)と反転入力端子(−)との間には、帰還用の抵抗素子R9が接続されている。この構成により、第1の電流検出部65は、駆動電圧発生部62から抵抗素子R2を通して変換回路63へ流れる第1の電流i1を検出する。第1の電流検出部65の出力i1aは、制御部61に入力される。
The first
同様に、第2の電流検出部66は、上述の配線68のうちコイルL2とホーン振動子40との間に介挿された電流検出用の抵抗素子R4と、この抵抗素子R4に降下した電圧を増幅する演算増幅器U2とを含んでいる。その配線68のうち抵抗素子R4の左側の箇所68dと接地GNDとの間に、分圧用の抵抗素子R10,R11が直列に接続されている。これらの抵抗素子R10,R11の間の接続点の電位が演算増幅器U2の非反転入力端子(+)に入力される。また、その配線68のうち抵抗素子R4の右側の箇所68eと接地GNDとの間に、分圧用の抵抗素子R12,R13が直列に接続されている。これらの抵抗素子R12,R13の間の接続点の電位が演算増幅器U2の反転入力端子(−)に入力される。演算増幅器U1の出力端子(OUT)と反転入力端子(−)との間には、帰還用の抵抗素子R14が接続されている。この構成により、第2の電流検出部66は、変換回路63からホーン振動子40へ流れる第2の電流i2を検出する。第2の電流検出部66の出力i2aは、制御部61に入力される。
Similarly, the second
この例では、R2=R4=100mΩ、R5=R6=R7=R8=R9=R10=R11=R12=R13=R14=100kΩにそれぞれ設定されている。 In this example, R2 = R4 = 100 mΩ and R5 = R6 = R7 = R8 = R9 = R10 = R11 = R12 = R13 = R14 = 100 kΩ are set.
なお、配線67,68間のインピーダンスのバランスをとるために、配線67のうち駆動電圧発生部62とコイルL1との間には抵抗素子R1が介挿されている。また、配線67のうちコイルL1とホーン振動子40との間には抵抗素子R3が介挿されている。この例では、R1,R3の値はR2,R4に等しく、R1=R3=100mΩに設定されている。
In order to balance the impedance between the
制御部61は、CPU(Central Processing Unit;中央演算処理装置)を含み、周波数制御部として働いて、第1の電流検出部65の出力i1aと第2の電流検出部66の出力i2aとに基づいて、制御信号Cnt1fによって駆動電圧発生部62の動作を制御する。そのほか、制御部61は、メッシュ式ネブライザ1の動作全体を制御する。
The
図3に示すように、メッシュ式ネブライザ1の電源スイッチがオンされると、制御部61が周波数制御部として働いて、次に述べるような周波数制御の処理を行う(図3のステップS11)。ユーザが電源スイッチをオンしてから一定期間(例えば10分間)が経過したとき、または、ユーザが電源スイッチをオフしたとき、制御部61は処理を終了する(図3のステップS12)。
As shown in FIG. 3, when the power switch of the
制御部61による周波数制御の処理は、図4に示すフローに従って行われる。
The frequency control process by the
すなわち、図4のステップS21に示すように、制御部61は、まず、駆動電圧発生部62が発生する矩形波状の交番電圧Vgの周波数fを、予め定められたスタート周波数foに設定する。このスタート周波数foは、例えば、個々のホーン振動子40毎に予め定められていても良いし、または、共振周波数の製造ばらつきを考慮して、ホーン振動子40のロット毎に例えば共振周波数の代表値(平均値)に一致するように予め定められていても良い。
That is, as shown in step S21 of FIG. 4, the
次に、図4のステップS22に示すように、制御部61は、第1の電流検出部65の出力i1aに基づいて、駆動電圧発生部62から変換回路63へ流れる第1の電流i1を検出するとともに、第2の電流検出部66の出力i2aに基づいて、変換回路63からホーン振動子40へ流れる第2の電流i2を検出する。この例では、例えば図5(A)中に示すように、第1の電流i1のピーク・ツー・ピーク値i1p−pを検出するとともに、図5(B)中に示すように、第2の電流i2のピーク・ツー・ピーク値i2p−pを検出する。
Next, as shown in step S <b> 22 of FIG. 4, the
次に、図4のステップS23に示すように、制御部61は、第1の電流i1と第2の電流i2との間の差、この例では第1の電流i1のピーク・ツー・ピーク値i1p−pと第2の電流i2のピーク・ツー・ピーク値i2p−pとの間の差(i1p−p−i2p−p)が極小値近傍にあるか否かを判断する。ここで、極小値近傍にあるか否かは、差(i1p−p−i2p−p)が予め定められた閾値以下であるか否かに応じて判断してもよい。
Next, as shown in step S23 of FIG. 4, the
ここで、差(i1p−p−i2p−p)が極小値近傍にあれば(図4のステップS23でYES)、制御部61は、駆動電圧発生部62に対して矩形波状の交番電圧Vgの周波数fを維持させる制御を行う。そして、ステップS22〜S24の処理を繰り返す。
Here, if the difference (i1p − p−i2p − p) is in the vicinity of the minimum value (YES in step S23 in FIG. 4), the
一方、差(i1p−p−i2p−p)が極小値近傍になければ(図4のステップS23でNO)、制御部61は、差(i1p−p−i2p−p)が極小値近傍に近づくように、駆動電圧発生部62に対して矩形波状の交番電圧Vgの周波数fを高く又は低く変更させる制御を行う(図4のステップS25)。そして、制御部61は、差(i1p−p−i2p−p)が極小値近傍にくるまで、ステップS22〜S23、S25の処理を繰り返す。
On the other hand, if the difference (i1p − p−i2p − p) is not in the vicinity of the minimum value (NO in step S23 in FIG. 4), the
このようにした場合、上述の制御によってi1p−pとi2p−pとの間の差(i1p−p−i2p−p)が極小値近傍になったとき、変換回路63のインピーダンスとホーン振動子40のインピーダンスとが整合する。したがって、第1の電流i1と第2の電流i2との間の差、すなわち、変換回路63を介した接地GNDへのリーク電流が抑制される。この結果、消費電流の増大を抑制できる。
In such a case, i1p the control of the above - the difference between the p - p and i2p when (i1p - - p-i2p p ) becomes near minimum value, the impedance and the
検証のために、図5(A)、図5(C)、図6(A)、図6(C)、図7(A)は、或るホーン振動子40について、駆動電圧発生部62が発生する矩形波状の交番電圧Vgの周波数fを、f=178.85kHzから0.1kHzずつ順次上昇させたときの、駆動電圧発生部62から変換回路63へ流れる第1の電流i1の変化を示している。これらの図中には、第1の電流i1のピーク・ツー・ピーク値i1p−pが図示されている。また、図5(B)、図5(D)、図6(B)、図6(D)、図7(B)は、それぞれ図5(A)、図5(C)、図6(A)、図6(C)、図7(A)に対応して、駆動電圧発生部62が発生する矩形波状の交番電圧Vgの周波数fを、f=178.85kHzから0.1kHzずつ順次上昇させたときの、変換回路63からホーン振動子40へ流れる第2の電流i2の変化を示している。これらの図中には、第2の電流i2のピーク・ツー・ピーク値i2p−pが図示されている。さらに、これらの図中には、駆動電圧発生部62が発生した矩形波状の交番電圧Vg、変換回路63による変換後の正弦波状の交番電圧Vaが、理解の容易のためにゼロレベルをシフトして図示されている。
For verification, FIG. 5A, FIG. 5C, FIG. 6A, FIG. 6C, and FIG. 7A show the
これらの図中の第1の電流i1のピーク・ツー・ピーク値i1p−p、第2の電流i2のピーク・ツー・ピーク値i2p−pを読み取ると、それぞれ次の表1の左から第2欄、第3欄に記載の通りであった。また、これらのi1p−pとi2p−pとの間の差(i1p−p−i2p−p)を算出すると、表1の最右欄に記載の通りであった。なお、i1p−p、i2p−pの読み取り、差(i1p−p−i2p−p)の算出は、共通の単位(CPUがデジタル処理に用いる任意単位)で行われた。この結果では、矩形波状の交番電圧Vgの周波数fが、f=178.85kHzから0.1kHzずつ順次上昇するにつれて、差(i1p−p−i2p−p)は、109、80、24、56、68というように変化している。すなわち、周波数f=179.05kHzで、差(i1p−p−i2p−p)が24となり、極小値またはその近傍になっている。
(表1)
These peak-to-peak value i1p the first current i1 in Fig - p, a peak-to-peak value of the second current i2 i2p - Reading the p, respectively second from the left in the following Table 1 Column and column 3. Further, when the difference between these i1p - p and i2p - p (i1p - p-i2p - p) was calculated, it was as described in the rightmost column of Table 1. Incidentally, i1p - p, i2p - p readings, the difference calculation of (i1p - - p-i2p p ), was performed in a common unit (arbitrary units by the CPU used in the digital processing). In this result, the difference (i1p − p−i2p − p) is 109, 80, 24, 56, as the frequency f of the alternating voltage Vg having a rectangular wave shape sequentially increases from f = 178.85 kHz by 0.1 kHz. 68 and so on. That is, at the frequency f = 179.05 kHz, the difference (i1p − p−i2p − p) is 24, which is at or near the minimum value.
(Table 1)
したがって、このホーン振動子40の場合、制御部61は、上述の周波数制御によって、駆動電圧発生部62が矩形波状の交番電圧Vgの周波数fを、f=179.05kHzに制御(維持)することになる。この結果、変換回路63を介した接地GNDへのリーク電流を抑制して、消費電流の増大を抑制できる。
Therefore, in the case of the
また、既述のように、ホーン振動子40の共振周波数frを含む175kHz〜185kHzの周波数範囲で変換回路63が示すインピーダンスは、ホーン振動子40のインピーダンスの最小値Zmin(この例では、約100Ω)に略一致するように設定されている。ここで、上述の周波数制御によってi1p−pとi2p−pとの間の差(i1p−p−i2p−p)が極小値近傍になったとき、変換回路63のインピーダンスとホーン振動子40のインピーダンスとが整合する。したがって、そのとき、矩形波状の交番電圧Vgの周波数fがホーン振動子40の共振周波数fr(ホーン振動子40のインピーダンスの最小値Zmin≒100Ωを与える周波数)に略一致する。この結果、ホーン振動子40の駆動効率が高まる。
Further, as described above, the impedance shown by the
したがって、このメッシュ式ネブライザ1によれば、液体を効率良く霧化して噴霧でき、また、消費電流の増大を抑制できる。
Therefore, according to this
なお、上の例では、第1の電流i1と第2の電流i2との間の差は、第1の電流i1のピーク・ツー・ピーク値i1p−pと第2の電流i2のピーク・ツー・ピーク値i2p−pとの間の差(i1p−p−i2p−p)であるものとした。しかしながら、これに限られるものではない。第1の電流i1と第2の電流i2との間の差は、第1の電流i1の振幅と第2の電流i2の振幅との間の差、または、第1の電流i1の実効値と第2の電流i2の実効値との間の差であるものとしてもよい。いずれの場合も、第1の電流i1、第2の電流i2第1、第2の電流の位相にかかわらず、上記「差」を簡単に求めることができる。 In the above example, the difference between the first current i1 and the second current i2 is the peak-to-peak value i1p - p of the first current i1 and the peak-to-peak of the second current i2. peak value i2p - were assumed to be the difference between p (i1p-p-i2p- p). However, the present invention is not limited to this. The difference between the first current i1 and the second current i2 is the difference between the amplitude of the first current i1 and the amplitude of the second current i2, or the effective value of the first current i1. It may be a difference between the effective value of the second current i2. In any case, the “difference” can be easily obtained regardless of the phases of the first current i1, the second current i2, and the first and second currents.
以上の実施形態は例示であり、この発明の範囲から離れることなく様々な変形が可能である。上述した複数の実施の形態は、それぞれ単独で成立し得るものであるが、実施の形態同士の組みあわせも可能である。また、異なる実施の形態の中の種々の特徴も、それぞれ単独で成立し得るものであるが、異なる実施の形態の中の特徴同士の組みあわせも可能である。 The above embodiments are merely examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. The plurality of embodiments described above can be established independently, but combinations of the embodiments are also possible. In addition, various features in different embodiments can be established independently, but the features in different embodiments can be combined.
1 メッシュ式ネブライザ
10 本体
20 交換部材
21a メッシュ部
40 ホーン振動子
41 圧電素子
42 ホーン
43 振動面
60 超音波振動子駆動装置
61 制御部
62 駆動電圧発生部
63 変換回路
65 第1の電流検出部
66 第2の電流検出部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
上記駆動電圧の元になる矩形波状の交番電圧を、上記超音波振動子の共振周波数を含む周波数範囲で周波数可変に発生する駆動電圧発生部と、
上記駆動電圧発生部から上記超音波振動子への配線経路に介挿され、誘導性リアクタンス素子と容量性リアクタンス素子とによって、上記駆動電圧発生部が発生した矩形波状の交番電圧を正弦波状の交番電圧に変換する変換回路とを備え、この正弦波状の交番電圧が上記駆動電圧として上記超音波振動子に印加され、
上記駆動電圧発生部から上記変換回路へ流れる第1の電流を検出する第1の電流検出部と、
上記変換回路から上記超音波振動子へ流れる第2の電流を検出する第2の電流検出部と、
上記第1の電流と上記第2の電流との間の差が極小値に近づくように、上記駆動電圧発生部に対して上記矩形波状の交番電圧の周波数を変更させる制御を行う周波数制御部と
を備えたことを特徴とする超音波振動子駆動装置。 An ultrasonic transducer driving apparatus that drives by applying a driving voltage to an ultrasonic transducer including a piezoelectric element and having a specific resonance frequency,
A drive voltage generator that generates a rectangular wave-shaped alternating voltage that is a source of the drive voltage in a frequency range that includes a resonance frequency of the ultrasonic transducer; and
A rectangular wave-shaped alternating voltage generated by the driving voltage generating unit is inserted into a wiring path from the driving voltage generating unit to the ultrasonic transducer and is generated by the inductive reactance element and the capacitive reactance element. A conversion circuit that converts the voltage into a voltage, and this sinusoidal alternating voltage is applied to the ultrasonic transducer as the drive voltage,
A first current detector for detecting a first current flowing from the drive voltage generator to the conversion circuit;
A second current detection unit for detecting a second current flowing from the conversion circuit to the ultrasonic transducer;
A frequency control unit that controls the drive voltage generation unit to change the frequency of the rectangular-wave alternating voltage so that the difference between the first current and the second current approaches a minimum value; An ultrasonic transducer driving device comprising:
上記第1の電流と上記第2の電流との間の差は、上記第1の電流のピーク・ツー・ピーク値と上記第2の電流のピーク・ツー・ピーク値との間の差、上記第1の電流の振幅と上記第2の電流の振幅との間の差、または、上記第1の電流の実効値と上記第2の電流の実効値との間の差であることを特徴とする超音波振動子駆動装置。 The ultrasonic transducer driving apparatus according to claim 1,
The difference between the first current and the second current is the difference between the peak-to-peak value of the first current and the peak-to-peak value of the second current, The difference between the amplitude of the first current and the amplitude of the second current, or the difference between the effective value of the first current and the effective value of the second current, An ultrasonic transducer driving device.
上記超音波振動子の共振周波数を含む周波数範囲で上記変換回路が示すインピーダンスは、上記超音波振動子のインピーダンスの最小値に実質的に一致するように設定されていることを特徴とする超音波振動子駆動装置。 In the ultrasonic transducer drive device according to claim 1 or 2,
An ultrasonic wave characterized in that an impedance indicated by the conversion circuit in a frequency range including a resonance frequency of the ultrasonic vibrator is set to substantially coincide with a minimum impedance value of the ultrasonic vibrator. Vibrator driving device.
上記超音波振動子は、上記圧電素子とこの圧電素子の振動を伝えるホーンとが一体に組み合わされて構成されたホーン振動子であることを特徴とする超音波振動子駆動装置。 In the ultrasonic transducer drive device according to any one of claims 1 to 3,
The ultrasonic transducer driving apparatus according to claim 1, wherein the ultrasonic transducer is a horn transducer configured by integrally combining the piezoelectric element and a horn that transmits vibration of the piezoelectric element.
上記ホーン振動子の振動面に対向して配置された平板状またはシート状のメッシュ部とを備え、
上記振動面と上記メッシュ部との間に供給された液体を、上記メッシュ部を通して霧化して噴霧することを特徴とするメッシュ式ネブライザ。 The ultrasonic transducer driving device according to claim 4,
A flat plate-like or sheet-like mesh portion arranged to face the vibration surface of the horn vibrator,
A mesh-type nebulizer characterized in that the liquid supplied between the vibrating surface and the mesh part is atomized and sprayed through the mesh part.
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